日亞化學公布「全球最高水平」藍紫色雷射器和藍色雷射器的基本技術

2020-12-03 OFweek維科網

   日亞化學工業07年11月發布了脈衝振蕩時輸出功率為420mW的藍紫色半導體雷射器、以及連續振蕩時輸出功率為1W的藍色半導體雷射器(參閱相關報導1,2)。該公司稱兩款產品的輸出功率均為「全球最高水平」。輸出功率為420mW的藍紫色半導體雷射器,可應用於藍光光碟和HD DVD等新一代光碟的2層12倍速或4層6倍速的高速讀寫。目前市場上流通的產品,其輸出功率最大不過200mW,因此420mW的輸出功率接近其2倍。輸出功率為1W的藍色雷射器主要面向使用雷射光源的投影儀,輸出功率提高至原來的兩倍。日亞化學工業公布了這些高功率雷射器的背景以及採用的技術。

輸出功率420mW的產品的量產時間為09年

  關於輸出功率為420mW的藍紫色半導體雷射器的產品化情況,日亞化學工業表示技術開發已經完成。壽命可確保在5000個小時以上,電氣特性等產品性能已達到實用水平。該公司計劃於08年1月開始量產供貨250mW產品,1年後量產供貨320mW產品,09年開始量產此次發布的420mW產品。雖然離量產時間尚早,但該公司希望通過快速公布420mW產品開發完成這一消息,促進雷射頭廠商和設備廠商在高速讀寫技術方面的開發。不過,為了量產420mW產品,還必須提高製造技術來降低製造成本,同時進一步提高成品率。

  據日亞化學工業介紹,在輸出功率為250mW的產品亮相之前,新一代光碟裝置的開發一直受「藍紫色半導體雷射器的『功率限制 』」(日亞化學工業 第二部門LD技術本部LD開發部 部長代理長浜慎一)。雖然廠商希望提高讀寫速度,但由於半導體雷射器輸出功率的制約,無法加快高速讀寫設備的開發速度。

  通過將藍紫色半導體雷射器的輸出功率大幅提高至420mW,今後將不會產生之前的「功率限制」問題。雖說2層12倍速或4層6倍速等高速讀寫的標準尚未具體決定。不過該公司強調,只要輸出功率達到420mW,藍紫色半導體雷射器便可完全支持高速化。

  此次發布的420mW產品的閾值電流為30mA,可通過300mA的電流獲得420mW的輸出功率。在實際生產時,將根據設備的使用要求調節雷射特性,比如稍微提高發光效率等。不過,即使加入這些變更,也不會過多地偏離此次公布的性能指標值。

提高輸出功率的關鍵是COD的減小和長達1mm左右的共振器

  420mW產品為了提高輸出功率,實施了兩大改進。一是減小了雷射器晶片端面的災變性光學損傷(COD:catastrophic optical damage)。晶片端面是射出雷射的部分,雷射的輸出功率越高端面越容易劣化。日亞化學工業沒有透露具體的技術情況,不過「在不增加成本的範圍內,導入了可減小COD的技術」(該公司董事、第二部門LD技術本部本部長兼氮化物半導體研究所所長向井孝志)。

  另一改進是延長了振蕩雷射器的共振器。具體數值沒有公開,但「紅色半導體雷射器的高功率產品,其共振器長度延長到了2mm左右。藍紫色半導體雷射器的共振器沒有那麼長,僅為紅色半導體雷射器的一半左右」(日亞化學工業的向井孝志),因此估計為1mm左右。

  延長共振器也就是加大晶片尺寸。由於能夠從1片晶圓上獲得的晶片數量減少,而且容易受結晶缺陷的影響,因此有可能降低成品率。也就是說,晶片的製造成本將會提高。為了解決這個課題,日亞化學工業減小了晶片寬度(與共振器的延伸方向相對應,垂直方向的晶片尺寸),以儘可能地避免增大晶片面積。另外,該公司計劃通過提高製造技術來提高成品率。

輸出功率為1W的產品將從08年9月開始量產

  面向顯示器用途的輸出功率為1W的藍色半導體雷射器,其樣品供貨時間為08年3月,並預定在9月開始量產。主要面向使用紅色、藍色和綠色雷射提高色彩再現性的投影儀的光源。

  提高輸出功率,一般會相應出現雷射器晶片的工作溫度上升、雷射器晶片嚴重劣化等問題。此次,日亞化學工業將輸出功率提高至原來的2倍,隨之而來的工作溫度上升問題,通過封裝來解決;關於晶片的劣化問題,通過改良晶片解決。通過這些改進,輸出功率減半之前的壽命在用於顯示器用途時,可達到3萬個小時以上。

  封裝由原產品使用的直徑為5.6mm的CAN封裝,變更為直徑為9mm的相同封裝。這樣一來,封裝的熱阻可由原來的15K/W降至9K/W。通過降低熱阻,可輕鬆地將晶片熱量釋放到封裝外部、儘可能地降低工作時晶片溫度的上升。日亞化學工業表示,直徑為9mm的CAN封裝不是特殊產品,估計封裝成本不會增加。原因是採用了過去在CD中使用的紅外線半導體雷射器。

  為了防止晶片劣化,此次加大了共振器長度、降低了雷射發射口的光密度。這樣一來,便可最大限度地減小COD的影響。雷射的光束直徑(Beam Diameter)為1μm×15μm。雖然輸出功率的提高幅度和晶片尺寸都大於輸出功率為0.5W的產品,但均控制在1.5倍以內。

有可能實現陣列化,不過……

  如果使用此次的1W產品,例如將其用於投射100英寸影像的投影儀時,需要多個1W產品。根據設備的不同,所需1W產品的個數也不盡相同,有時需要1個,有時需要3~4個。因為有時需要多個1W產品,因此今後有可能會考慮在單晶片上設置多個共振器。

  不過,如果採用陣列晶片(Array Chip),晶片尺寸就會變大,因此有可能產生晶片成本上升、長期可靠性下降等問題。另外,由於需要的個數因設備而不同,因此陣列晶片容易成為定製品、量產個數會減少,這樣一來晶片成本就會增加。因此,對陣列晶片的投產問題,該公司表示將慎重考慮。

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